一种多电平电池储能系统故障容错控制方法及装置

本发明涉及电池储能系统的控制，尤其涉及一种多电平电池储能系统故障容错控制方法及装置。

背景技术：

1、级联电池储能系统将电池组分散接入级联h桥变换器子模块直接侧，通过多个子模块级联，无需变压器即可接入中高压电网，兼具有功、无功功率的调节能力，具有模块化、易管理、高电压、大功率等优点，在大规模电池储能系统中具有广阔前景。

2、级联电池储能系统中功率器件众多，存在较高的故障风险。当级联电池储能系统的一相发生子模块故障时，需对故障子模块进行切除，并采取故障容错手段，以保证系统的不间断连续运行。

3、故障容错手段分为硬件手段和软件手段两类。硬件手段主要通过子模块冗余增加系统的运行可靠性，但需要额外的硬件设备投入，成本较高。软件手段是指通过故障容错控制手段，改变系统的控制指令，实现各相的稳定控制。

4、现有级联电池储能系统故障容错控制多采用级联h桥变换器的故障容错控制策略，采用零序定压注入或特殊调制技术，会造成三相功率不均衡，在功率因数较低的场景下会造成某一相的功率与其功率指令相反，即功率反向，造成过充或过放的风险，危害电池储能系统的安全运行。

5、为此，需根据级联电池储能系统的运行特性，开发适用于级联电池储能系统安全运行的故障容错控制方法，实现级联电池储能系统的安全不间断运行。

技术实现思路

1、本发明提供了一种多电平电池储能系统故障容错控制方法及装置，能够解决级联电池储能系统子模块故障控制期间出现的功率反向问题，保证级联电池储能系统的安全不间断运行，详见下文描述：

2、第一方面，一种多电平电池储能系统故障容错控制方法，所述方法包括：

3、建立级联电池储能系统子模块故障后的数学模型，定位故障相，获取故障子模块数；

4、将系统故障时的运行工况划分为三个区间，根据电压电流采样值计算功率因数角和功率因数，确定系统故障时的运行区间；

5、根据系统故障时所处区间，注入相应的基频零序电压和负序电流；

6、对基频零序电压和负序电流进行控制，得到级联电池储能系统的控制信号，对级联电池储能系统进行容错控制。

7、其中，所述建立级联电池储能系统子模块故障后的数学模型，定位故障相，获取故障子模块数具体为：

8、对于三相级联电池储能系统，将子模块发生故障的相定义为故障相，相电压滞后故障相电压120度的相定义为滞后相，相电压超前故障相电压120度的相定义为超前相。

9、子模块故障后，需注入基频零序电压以避免过调制，系统的输出相电压vj(vf、vz、vh’)，{j＝f、z、h}表达式如下：

10、

11、式中，vf、vz和vh分别为故障相、滞后相、超前相输出电压的幅值，ω为电网角频率(rad/s)，和为故障相电压、滞后相电压、超前相电压的初相位。

12、相电流ij(if、iz、ih)表达式如下：

13、

14、式中，if、iz和ih分别为故障相、滞后相、超前相输出电流的幅值，为故障相电压的初相位，为功率因数角。

15、子模块故障后，注入基频零序电压，其表达式如下：

16、v0＝v0cos(ωt+δ)

17、式中，v0和δ为的基频零序电压幅值和初相位。

18、子模块故障后，系统的输出相电压等于各相电网电压与基频零序电压之和，vf、vz和vh的值由v0、δ和确定，由表示。

19、子模块故障后，故障相最大投入子模块数变为n-nf，n为桥臂模块数，nf为故障子模块数。

20、其中，所述将系统故障时的运行工况划分为三个区间，根据电压电流采样值计算功率因数角和功率因数，确定系统故障时的运行区间具体为：

21、根据功率因数从高到低，将级联电池储能系统的运行工况划分为三个区间，分别为区间一、区间二、区间三。

22、功率因数pf等于

23、pf1为区间一和区间二的临界阈值，pf2为区间一和区间二的临界阈值。

24、pf1通过求解获得，为功率因数pf等于pf1时对应的功率因数角。

25、当为正时，通过求解下列方程获得：

26、

27、当为负时，通过求解下列方程获得：

28、

29、式中，vm和im分别为电网电压和级联电池储能系统的输出电流的幅值，v0c计算式如下：

30、v0c＝(mn-n+nf)vdc

31、式中，m为调制比，vdc为子模块直流侧电压。

32、pf2通过求解下列方程获得：

33、

34、式中，为功率因数pf等于pf2时对应的功率因数角，其数值上等于使集合等于空集的的最大值；定义为给定功率因数角条件下，满足第一约束条件的(v0,δ)的集合和第二约束条件的(v0,δ)的集合的交集，表达式如下：

35、

36、第一约束条件为故障后各相电压的幅值小于各相最大投入子模块数乘与子模块直流电压的乘积，表示为：

37、

38、第二约束条件为故障后各相功率正负与故障前各相功率的正负保持一致，具体表示为：

39、

40、式中，v为故障后相电压相量值，为故障后相电流相量值的共轭，为相量v与相量点乘运算结果的实部，表示各相功率参考值的符号。

41、通过采样装置获取故障发生时级联电池储能系统输出电压和输出电流采样值，即故障前的电网电压和输出电流记为vj和ij；通过锁相环分别获得vj和ij的相位值，并计算ij与vj之间的相位差，其数值作为

42、计算功率因数pf，计算表达式如下：

43、

44、根据pf值判断系统故障时的运行区间。

45、若pf>pf1，系统处于区间一；

46、若pf1>pf>pf2，系统处于区间二；

47、若pf<pf2，系统处于区间三。

48、其中，所述根据系统故障时所处区间，注入相应的基频零序电压和负序电流具体为：

49、若系统故障时处于区间一，注入基频零序电压，其幅值v0等于v0c，初相位δ为δ0c，其表达式如下：

50、

51、注入的负序电流为0；

52、若系统故障时处于区间二，注入基频零序电压，其幅值v0和初相位δ为集合中的元素，注入的负序电流为0；

53、若系统故障时处于区间三，注入基频零序电压，其幅值v0等于v0c，初相位δ为δ0c，注入负序电流使得第二约束条件成立。

54、其中，所述对基频零序电压和负序电流进行控制，得到级联电池储能系统的控制信号，对级联电池储能系统进行容错控制具体为：

55、通过功率控制指令与交流功率控制环节获取级联电池储能系统正序电流参考值；

56、利用电流控制环节对正序电流和负序电流进行控制，使其跟踪各自的参考值；

57、将电流控制环节得到的控制信号和所需注入的基频零序电压参考值相加，经过标幺化处理得到调制信号；

58、通过调制技术得到级联电池储能系统各功率器件的控制信号，对功率器件进行控制，实现对级联电池储能系统的容错控制。

59、第二方面，一种多电平电池储能系统故障容错控制装置，所述装置包括：

60、故障诊断模块，用于定位故障相并获取故障模块数等故障信息；

61、容错控制模块，用于计算功率因数和功率因数角，并确定系统的运行区间，并根据系统的运行区间计算用于容错控制的基频零序电压和负序电流参考值；

62、交流功率控制模块，用于指令储能功率控制指令，获得正序电流参考值；

63、电流控制模块，用于控制级联电池储能系统的正序电流和负序电流；

64、调制模块，将电流控制模块得到的控制信号和基频零序电压生成调制信号，并利用调制算法得到级联电池储能系统各功率器件的实际开关信号。

65、本发明提供的技术方案的有益效果是：

66、1、本发明所提多电平电池储能系统故障容错控制方法及装置可以避免各相出现过调制，保证级联电池储能系统的不间断连续运行；

67、2、本发明所提多电平电池储能系统故障容错控制方法及装置可以避免各相功率反向，使电池组的充放电状态与其功率指令相同，避免了因功率反向造成的电池组过充或过放风险，提高了电池组的安全性；

68、3、本发明所提多电平电池储能系统故障容错控制方法及装置无需添加额外的硬件电路，可减小级联电池储能系统复杂程度，提高系统的可靠性。

技术特征：

1.一种多电平电池储能系统故障容错控制方法，其特征在于，所述方法包括：

2.根据权利要求1所述的一种多电平电池储能系统故障容错控制方法，其特征在于，所述建立级联电池储能系统子模块故障后的数学模型，定位故障相，获取故障子模块数具体为：

3.根据权利要求1所述的一种多电平电池储能系统故障容错控制方法，其特征在于，所述对基频零序电压和负序电流进行控制，得到级联电池储能系统的控制信号，对级联电池储能系统进行容错控制具体为：

4.一种多电平电池储能系统故障容错控制装置，其特征在于，所述装置包括：

技术总结
本发明公开了一种多电平电池储能系统故障容错控制方法及装置，方法包括：建立级联电池储能系统子模块故障后的数学模型，定位故障相，获取故障子模块数；将系统故障时的运行工况划分为三个区间，根据电压电流采样值计算功率因数角和功率因数，确定系统故障时的运行区间；根据系统故障时所处区间，注入相应的基频零序电压和负序电流；对基频零序电压和负序电流进行控制，得到级联电池储能系统的控制信号，对级联电池储能系统进行容错控制。装置包括：故障诊断模块、容错控制模块、交流功率控制模块、电流控制模块和调制模块。本发明所公开的多电平电池储能系统故障容错控制方法及装置可避免功率反向，有效减小过充过放风险，提高系统的安全性。

技术研发人员：肖迁,于浩霖,金昱,张育炜,陆文标,贾宏杰,穆云飞,朱逸镝,刘会巧,余晓丹
受保护的技术使用者：天津大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23